JP2013084780A - 圧電素子及び圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】良好な加工精度を簡略な加工で得られる構成で小型化を実現した圧電素子及び圧電アクチュエータを提供する。
【解決手段】圧電素子を次のように構成する。貫通孔３Ｈを有する略円筒形状を呈する棒状弾性体3Ｅと、棒状弾性体3Ｅの長軸方向に沿って、棒状弾性体3Ｅの長軸方向における両端面に達しない範囲で、棒状弾性体3Ｅの側周面に形成された長孔形状のスリットs1と、側周面のうちスリットs1が形成された部位以外の部位に設けられた圧電部材と、長軸方向についてはスリットs1の両端部位に達しない範囲で、且つ、棒状弾性体3Ｅの周方向についてはスリットs1を跨いだ態様で、側周面の圧電部材上に設けられた電極部材7-1,7-2と、を圧電素子に具備させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子、及び該圧電素子を用いた圧電アクチュエータに関する。

従来より、円筒型圧電素子の小型化が望まれている。円筒型圧電素子の小型化には、製造上の困難さが伴う。特許文献１には、小型の円筒型圧電素子を製造する方法が開示されている。すなわち、特許文献１に開示されている製造方法によれば、まず、円筒形状を呈する圧電素子であって、径方向に凸で軸方向を長手方向とする凸部が外周面に設けられた形態の圧電素子を押出成形する。続いて、前記凸部を含む外周面に駆動電極を形成し、内周面には基準電極を形成する。そして、それら電極を利用して当該圧電素子に分極処理を施した後、前記凸部を機械加工で除去する。これら一連の工程により、複数個に分割された駆動電極を備える円筒型圧電素子を得ることができる。

特開２００９−２１２５１９号公報

ところで、圧電素子を小型化していく場合（例えば外径１００μｍ〜１ｍｍ程度まで小型化する場合）、その性能を維持する為に構成部品に求められる精度は高くなる。換言すれば、性能を維持したまま小型化を実現するには、構成部品の加工難易度が高くなってしまう。

特許文献１に開示されている製造方法によれば、上述した外周面の凸部を除去する工程において高精度な機械加工を要する。この機械加工の精度が良好でない場合には、例えば当該円筒型圧電素子の割れや駆動電極の短絡等の様々な不具合が生じる虞がある。具体的には、例えば前記凸部の除去が不完全であれば、駆動電極に電圧を印加しても十分な変位を得られないことがある。また、前記凸部の除去加工が深すぎて溝を形成してしまった場合には、駆動電極に電圧を印加した際の変形で、当該円筒型圧電素子に割れが発生する虞がある。つまり、特許文献１に開示されている技術を利用して、良好な加工精度を維持しつつ、圧電素子の小型化を実現することは困難である。

本発明は、前記の事情に鑑みて為されたものであり、良好な加工精度を簡略な加工で得られる構成で小型化を実現した圧電素子及び圧電アクチュエータを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の第１の態様による圧電素子は、
略円筒形状を呈する棒状弾性体と、
前記棒状弾性体の長軸方向に沿って、前記棒状弾性体の長軸方向における両端面に達しない範囲で、前記棒状弾性体の側周面に形成された長孔形状のスリットと、
前記側周面のうち前記スリットが形成された部位以外の部位に設けられた圧電部材と、
前記長軸方向については前記スリットの両端部位に達しない範囲で、且つ、前記棒状弾性体の周方向については前記スリットを跨いだ態様で、前記側周面の前記圧電部材上に設けられた電極部材と、
を具備することを特徴とする。

前記の目的を達成するために、本発明の第２の態様による圧電アクチュエータは、
略円筒形状を呈する棒状弾性体と、
前記棒状弾性体の長軸方向に沿って、前記棒状弾性体の長軸方向における両端面に達しない範囲で、前記棒状弾性体の側周面に形成された長孔形状のスリットと、
前記側周面のうち前記スリットが形成された部位以外の部位に設けられた圧電部材と、
前記長軸方向については前記スリットの両端部位に達しない範囲で、且つ、前記棒状弾性体の周方向については前記スリットを跨いだ態様で、前記側周面の前記圧電部材上に設けられた電極部材と、
前記電極部材に所定の交番信号を印加する駆動回路と、
を具備し、
前記スリットは、当該棒状弾性体を周方向に４等分する位置に１つずつ形成され、
前記電極部材は、前記スリットによって、互いに独立した４つの電極部材に分割されており、
前記駆動回路は、互いに対向する電極部材間に所定の交番信号を印加する、
ことを特徴とする。

本発明によれば、良好な加工精度を簡略な加工で得られる構成で小型化を実現した圧電素子及び圧電アクチュエータを提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る圧電素子の構成を示す斜視図である。 図２は、図１に示す圧電素子を構成する弾性体を示す斜視図である。 図３は、図２に示す弾性体に圧電部材を設けたものを示す斜視図である。 図４は、分極処理時の図１に示す圧電素子を示す斜視図である。 図５は、図４に示すＡ−Ａ´線における断面矢視図を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る圧電素子の構成を示す斜視図である。図２は、図１に示す圧電素子が具備する弾性体を示す斜視図である。図３は、図２に示す弾性体に圧電部材を設けたものを示す斜視図である。図４は、分極処理時の本発明の一実施形態に係る圧電素子を示す斜視図である。図５は、図４に示すＡ−Ａ線における断面矢視図を示す図である。
図１乃至図５に示すように、本一実施形態に係る圧電素子１は、略円筒形状の棒状弾性体３と、圧電部材９と、電極部材７−１，７−２，７−３，７−４と、を具備する。ここで、図１に示すように棒状弾性体３の長軸方向にＺ軸を設定し、図５に示すように棒状弾性体３の長軸方向に垂直な面内で互いに直交する方向にＸ軸とＹ軸とを設定する。

前記棒状弾性体３は、図２に示すように長軸方向（Ｚ軸方向）における両端面の中心部位を貫通するように形成された貫通孔３Ｈを有する略円筒形状の弾性体であり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ材）やチタン等から成る円筒殻状の弾性体である。この棒状弾性体３の側周面には、複数のスリットｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４が長軸方向（Ｚ軸方向）に沿って、当該棒状弾性体３の両端近傍部位を除いた部位に長孔形状に形成されている。換言すれば、これらスリットｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４は、当該棒状弾性体３の長軸方向については両端面に達しない範囲で、前記長軸方向に沿って形成されている。

前記スリットｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４は、図５に示すように、棒状弾性体３を周方向に４等分する位置に形成されている。換言すれば、これらスリットｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４は、当該棒状弾性体３の側周面のうち互いに対向する部位において対を成すように設けられた二対のスリット（スリットｓ１とスリットｓ３とから成る対、及び、スリットｓ２とスリットｓ４とから成る対）である。これら二対のスリットは、各対におけるスリットの対向方向同士（対向するスリット同士を最短で結ぶ直線同士）が略９０度を成す。

なお、各スリットｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４の具体的な形成方法としては、例えばレーザー加工やエッチング等の微細加工を挙げることができる。各スリットｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４は、これらの微細加工によって、当該棒状弾性体３の中心軸に対して揃えて形成される。

上述したように棒状弾性体３に各スリットｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４を形成した後（図２参照）、棒状弾性体の一方端面３Ｅをマスキングした状態で、例えばＰＶＤ法（スパッタ、レーザーアブレーションなど）、ＣＶＤ法、化学溶液法（ＣＳＤ法）、水熱合成法、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）等の成膜技法を用いて、棒状弾性体３表面に圧電部材（例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等）を堆積する。これにより、棒状弾性体３のうち、一方端面３Ｅ及びスリットｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４を除く表面に、圧電部材が堆積される。

ここで、図５に示すように棒状弾性体３の側周面のうち電極部材７−１と重なる部分に堆積された圧電部材には圧電部材９−１と符号を付し、電極部材７−２と重なる部分に堆積された圧電部材には圧電部材９−２と符号を付し、電極部材７−３と重なる部分に堆積された圧電部材には圧電部材９−３と符号を付し、電極部材７−４と重なる部分に堆積された圧電部材には圧電部材９−４と符号を付す。なお、各電極部材７−１，７−２，７−３，７−４は、圧電部材９上の“所定の領域（詳細は後述する）”に形成される電極である。

上述したように、圧電部材９−１，９−２，９−３，９−４は、棒状弾性体３の側周面のうち前記二対のスリットｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４が設けられた部位以外の部位に設けられた、互いに対向する二対の圧電部材である。これら圧電部材９−１，９−２，９−３，９−４は、それぞれ当該棒状弾性体３の径方向に分極されて活性領域となる。

前記電極部材７−１，７−２，７−３，７−４は、当該棒状弾性体３の側周面に設けられた圧電部材９上の“所定の領域”に形成されている。詳細には、電極部材７−１，７−２，７−３，７−４は、当該棒状弾性体３の長軸方向（Ｚ軸方向）についてはスリットｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４の両端面に達しない範囲（スリットの長さを越えない領域）で、且つ、当該棒状弾性体３の周方向についてはスリットｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４を跨いで当該棒状弾性体３の全周に亘って設けられている。

具体的な電極部材７−１，７−２，７−３，７−４の形成方法としては、例えば金、白金等でスパッタや蒸着を行なう方法や、ニッケル、金、銀等の電極材料をメッキで形成する方法を挙げることができる。

これら電極部材７−１，７−２，７−３，７−４は、図４に示す分極処理の際に、圧電部材９と棒状弾性体３との間に高電圧Ｖを印加する際に用いる。すなわち、各電極部材７−１，７−２，７−３，７−４と、棒状弾性体３が露出している一方端面３Ｅとの間に高電圧Ｖを印加することにより、圧電部材９のうち各電極部材と重なる部分を径方向に分極し、圧電部材９−１，９−２，９−３，９−４を活性領域とする。このように、分極処理の際には、棒状弾性体３の一方端面３Ｅを共通電極（分極用電極の一方電極）として活用する。

以下、本一実施形態に係る圧電素子を圧電アクチュエータとして利用する際の駆動方法について説明する。
前記電極部材７−１，７−２，７−３，７−４を利用して各圧電部材９−１，９−２，９−３，９−４に所定の電荷を与えることで、圧電部材９を振動させて、圧電素子を上述のＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に変位させる。

例えば、図５に示すように、第１の電圧源Ｖ１を電極部材７−２と電極部材７−４とに接続し、それら電極間に交番電圧Ｖ１＝Ｖｃｏｓθを印加し、第２の電圧源Ｖ２を電極部材７−１と電極部材７−３とに接続し、それら電極間に交番電圧Ｖ２＝Ｖｓｉｎθを印加する。このように駆動回路を構成することで、隣接する電極部材同士の交番信号の位相差は順次略９０度となる。このように駆動することで、圧電素子には屈曲動作が励起され、首振り回転運動が生じる。

なお、各電極部材７−１，７−２，７−３，７−４に印加する交番信号の位相の進み／遅れによって回転方向を切り替えることができる。また、各電極部材７−１，７−２，７−３，７−４に同相の交番信号を印加すると、圧電素子は、Ｚ軸方向に伸び縮みすることは明らかである。
以上説明したように、本一実施形態によれば、良好な加工精度を簡略な加工で得られる構成で小型化を実現した圧電素子及び圧電アクチュエータを提供することができる。

以上、一実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で変形／応用が可能なことは勿論である。
さらに、上述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。

１…圧電素子、ｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４…スリット、 Ｖ…高電圧、 Ｖ１…第１の電圧源、 Ｖ２…第２の電圧源、 ３…棒状弾性体、 ３Ｈ…貫通孔、 ３Ｅ…一方端面、 ７−１，７−２，７−３，７−４…電極部材、９…圧電部材、 ９−１，９−２，９−３，９−４…電極部材と重なる圧電部材。

Claims (4)

1. 略円筒形状を呈する棒状弾性体と、
   前記棒状弾性体の長軸方向に沿って、前記棒状弾性体の長軸方向における両端面に達しない範囲で、前記棒状弾性体の側周面に形成された長孔形状のスリットと、
   前記側周面のうち前記スリットが形成された部位以外の部位に設けられた圧電部材と、
   前記長軸方向については前記スリットの両端部位に達しない範囲で、且つ、前記棒状弾性体の周方向については前記スリットを跨いだ態様で、前記側周面の前記圧電部材上に設けられた電極部材と、
   を具備することを特徴とする圧電素子。
2. 前記スリットは、当該棒状弾性体を周方向に４等分する位置に１つずつ形成され、
   前記電極部材は、前記スリットによって、互いに独立した４つの電極部材に分割されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
3. 略円筒形状を呈する棒状弾性体と、
   前記棒状弾性体の長軸方向に沿って、前記棒状弾性体の長軸方向における両端面に達しない範囲で、前記棒状弾性体の側周面に形成された長孔形状のスリットと、
   前記側周面のうち前記スリットが形成された部位以外の部位に設けられた圧電部材と、
   前記長軸方向については前記スリットの両端部位に達しない範囲で、且つ、前記棒状弾性体の周方向については前記スリットを跨いだ態様で、前記側周面の前記圧電部材上に設けられた電極部材と、
   前記電極部材に所定の交番信号を印加する駆動回路と、
   を具備し、
   前記スリットは、当該棒状弾性体を周方向に４等分する位置に１つずつ形成され、
   前記電極部材は、前記スリットによって、互いに独立した４つの電極部材に分割されており、
   前記駆動回路は、互いに対向する電極部材間に所定の交番信号を印加する、
   ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
4. 前記駆動回路は、隣接する電極部材同士の交番信号の位相差が略９０度となるように、互いに対向する電極部材間に所定の交番信号を印加する
   ことを特徴とする請求項３に記載の圧電アクチュエータ。

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